Наблюдения JWST впервые обнаружили воду во внутреннем диске молодой звезды с планетами-гигантами
Используя космический телескоп Джеймса Уэбба, исследовательская группа MINDS под руководством MPIA обнаружила воду во внутренней области газопылевого диска вокруг молодой звезды PDS 70. Астрономы ожидают, что в этой зоне будут формироваться планеты земной группы. Это первое обнаружение такого рода на диске, на котором находятся как минимум две планеты. Это открытие свидетельствует о механизме снабжения водой потенциально обитаемых планет уже во время их формирования, в дополнение к более поздним ударам водоносных астероидов.
Художественная концепция диска PDS 70. Наблюдения JWST обнаружили воду во внутреннем диске, где обычно формируются планеты земной группы. Две газовые планеты-гиганты в процессе своего роста вырезали в диске широкую щель из газа и пыли.
Используя космический телескоп Джеймса Уэбба, исследовательская группа MINDS под руководством MPIA обнаружила воду во внутренней области газопылевого диска вокруг молодой звезды PDS 70. Астрономы ожидают, что в этой зоне будут формироваться планеты земной группы. Это первое обнаружение такого рода на диске, на котором находятся как минимум две планеты. Любые каменистые планеты, созданные во внутреннем диске, выиграют от значительного местного резервуара воды, что в дальнейшем повысит шансы на обитаемость.
Это открытие свидетельствует о механизме снабжения водой потенциально обитаемых планет уже во время их формирования, в дополнение к более поздним ударам водоносных астероидов.
Вода необходима для жизни на Земле. Однако ученые спорят о том, как он достиг Земли и может ли этот процесс сделать скалистые экзопланеты вокруг других звезд пригодными для жизни.
Предпочтительным механизмом является снабжение водоносными астероидами, бомбардирующими поверхность молодой планеты. «Теперь мы, возможно, нашли доказательства того, что вода может также служить одним из первоначальных ингредиентов скалистых планет и быть доступной при рождении», — говорит Джулия Перотти, астроном из Института астрономии Макса Планка (MPIA) в Гейдельберге, Германия. Она является главным автором исследовательской статьи, которая появится в журнале Nature, в которой сообщается об обнаружении воды в диске формирования планет у молодой звезды PDS 70, находящейся на расстоянии около 370 световых лет.
Вода в земной планетообразующей зоне диска ПДС 70. Анимация иллюстрирует обнаружение воды в зоне возле звезды PDS 70. Сначала мы видим звездное небо и приближаемся к положению PDS 70. Затем на видео показаны два разных наблюдения за планетообразующим диском с положениями двух богатых газом планет. Наконец, мы видим участок спектра с водными сигнатурами, полученными с помощью прибора MIRI на борту JWST.
Предоставлено: Томас Мюллер (HdA/MPIA) / G. Perotti et al. (Сотрудничество MINDS)
Вода во внутреннем диске PDS 70
Наблюдения с помощью MIRI (Mid-InfraRed Instrument) на борту космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) обнаружили воду вблизи центра диска, рядом с родительской звездой PDS 70. В Солнечной системе это область, где твердые планеты вращаются вокруг Солнца. Согласно анализу, вода находится в виде горячего пара, пылающего при температуре около 330° по Цельсию (600° по Кельвину).
«Это открытие чрезвычайно интересно, так как оно исследует область, где обычно формируются твердые планеты, похожие на Землю», — отмечает директор MPIA Томас Хеннинг. Он является соавтором основной статьи, Co-PI (главный исследователь) MIRI и программы PI of the MINDS (MIRI Mid-Infrared Disk Survey). MINDS — это программа гарантированного времени JWST, в которой участвуют исследовательские институты из 11 европейских стран. Этот обзор направлен на выявление свойств дисков из газа и пыли вокруг молодых звезд, которые могут рассказать нам об условиях, определяющих состав потенциально формирующихся планет.
PDS 70 — первый относительно старый диск, возраст которого составляет около 5,4 миллиона лет, на котором астрономы обнаружили воду. Со временем содержание газа и пыли в планетообразующих дисках снижается. Либо излучение центральной звезды, либо ветер удаляют такой материал, как пыль и газ, либо пыль превращается в более крупные объекты, которые в конечном итоге образуют планеты. Поскольку в предыдущих исследованиях не удалось обнаружить воду в центральных областях аналогично эволюционировавших дисков, астрономы подозревали, что она может не выдержать резкого звездного излучения, что приводит к образованию сухой каменистой среды для формирования планет.
Участок спектра, зарегистрированный прибором MIRI на борту JWST от диска вокруг звезды PDS 70. Многочисленные пики можно отнести к воде с разными свойствами. Черная линия представляет измеренный сигнал. Синяя область ниже — результат расчета, основанного на модели с различными предположениями о свойствах воды.
Предоставлено: Г. Перотти и др. / МПИС
Наблюдение PDS 70 с помощью MIRI на борту JWST стало ключом к проверке этой гипотезы. В результате внутренние периметры проэволюционировавших и обедненных пылью дисков могут оказаться не такими уж сухими. Если это так, то многие планеты земной группы , формирующиеся в этих зонах, могут родиться с ключевым компонентом для поддержания жизни.
Водоснабжение планет земной группы — природа против воспитания
Однако до сих пор ученые не нашли никаких планет вблизи центра диска PDS 70. Вместо этого астрономы обнаружили две газовые гигантские планеты дальше, PDS 70 b и c. Они накапливали окружающую пыль и газ, вращаясь вокруг своей родительской звезды во время своего роста, создавая широкий кольцевой зазор, почти лишенный какого-либо обнаруживаемого материала.
Тем не менее, любые каменистые планеты, формирующиеся в богатой водой среде ближе к звезде, выиграют от наличия воды в начале своего жизненного цикла. Таким образом, в дополнение к тому, что вода доставляется на изначально сухие каменистые планеты через длительный процесс с участием астероидов как несколько случайной космической транспортной системы, этот новый результат открывает дверь для потенциально устойчивого механизма, который обеспечивает водой планеты уже при рождении.
Нетрудно представить, что такой сценарий может повысить шансы найти пригодные для жизни каменистые планеты с большим количеством воды для поддержания жизни. Прогресс программы MINDS в конечном итоге покажет, является ли вода обычным явлением в земных зонах формирования планет эволюционировавших дисков вокруг молодых звезд или PDS 70 является просто исключением.
Каково происхождение воды?
Поскольку присутствие воды было несколько неожиданным, команда MINDS исследует несколько сценариев, чтобы объяснить свою находку.
Одна из возможностей предполагает, что вода является остатком изначально богатой водой туманности, предшествовавшей стадии диска. Вода довольно распространена, особенно в замерзшем состоянии, покрывая крошечные частицы пыли. При нагревании вблизи формирующейся звезды вода испаряется и смешивается с другими газами. К сожалению, молекулы воды довольно хрупкие и распадаются на более мелкие составляющие, такие как водород и кислород, под воздействием вредного ультрафиолетового излучения ближайшей звезды. Однако окружающий материал, такой как пыль и сами молекулы воды, служат защитным экраном. В результате по крайней мере часть воды, обнаруженной вблизи ПДС 70, могла уцелеть после разрушения.
Другим источником может быть газ, поступающий с внешних краев диска PDS 70. При определенных обстоятельствах кислород и газообразный водород могут соединяться и образовывать водяной пар. Кроме того, сопротивление движущегося газа может притягивать богатые водой частицы пыли, мигрирующие из выступающего внешнего пылевого кольца. Центральная звезда настолько тусклая, что не может испарить водяной лед на расстоянии этого кольца. Только когда пылинки попадают во внутренний диск вблизи звезды, лед превращается в газ.
«Правда, вероятно, заключается в сочетании всех этих вариантов», — говорит Перотти. «Тем не менее, вполне вероятно, что один механизм играет решающую роль в поддержании водного резервуара диска PDS 70. Задача на будущее будет заключаться в том, чтобы выяснить, какой именно».
К завершению картины
JWST и MIRI — мощные инструменты. Тем не менее, они дают лишь некоторые аспекты общей картины. Подобно картине, которой нужно много разных цветов, чтобы передать свое сообщение, астрономы применяют различные виды наблюдений и охватывают широкий диапазон длин волн, чтобы получить информацию и завершить свое понимание.
В этом случае команда использовала спектрограф MIRI для разложения инфракрасного излучения, полученного от PDS 70, на сигнатуры малых диапазонов длин волн — аналогично различению одного цвета на множество различных оттенков. Таким образом, команда выделила множество индивидуальных характеристик воды, которые они использовали для расчета температуры и плотности.
Астрономы уже получили дополнительные наблюдения с помощью наземных телескопов, чтобы дополнить картину. Кроме того, они с нетерпением ждут еще одного набора наблюдений JWST, которые предоставят подробные изображения внутреннего диска PDS 70. И, возможно, в его структуре будут обнаружены намеки на дополнительные планеты земной группы или несколько более крупные субнептуны, формирующиеся внутри водного резервуара.
